變頻調速技術在專用行車改造的應用

謝 強

（銅陵有色金屬集團股份公司 金冠銅業分公司， 安徽 銅陵 244001）

1 引言

新時期，我國綜合國力開始進入高層維度，經濟總量迅猛提升，各個領域發展速度日益加快，人民群眾開始追求高品質生活。不斷增長的需求為社會的良好發展提供了源源不斷地動力，在此形勢下，自動化隨之出現，同時發展迅猛，在各個領域中運用越來越廣泛。其中，變頻調速技術是工業自動化控制中極為重要的一部分，其既能讓資源得到節省，同時還可以促進動作效率提升，以堅實的基礎助推工業良好發展［1］。本文主要闡述變頻調速技術在銅陵有色金冠銅業分公司的應用，著重介紹了該技術在電解專用吊車技術改造應用，取得良好效果。本文還展望了變頻調速技術的發展趨勢。

2 變頻調速技術

變頻調速技術主要由自適應電動機模型單元、轉矩和磁通比較器兩個部分構成，前者是變頻調速技術中不可或缺的一部分，其可以對輸入發動機的電流和電壓數據進行精確檢測，給予工作技術人員幫助，使其充分掌握相關數據，從而更好地應用技術［2］；后者可以有效比較兩種所展現的反饋值以及參考值，然后借助磁場和轉矩情況，利用滯環調節器開展輸出工作，可以加深工作人員對磁場狀態以及轉矩狀況的了解。

3 變頻調速技術在金冠銅業分公司的應用

變頻調速技術在金冠銅業分公司得到了廣泛應用，主要用在以下幾個方面：

（1）以節能為目標，主要應用于各類風機和泵，典型代表是適配二氧化硫風機的高壓變頻器，功率達到5500kW；

（2）基于精確控制為目標，典型代表是適配定量給料的皮帶和螺旋給料機；

（3）基于防搖擺和速度曲線控制為目標，典型代表是冶煉行車和銅電解專用行車。

4 變頻調速技術在銅電解專用行車改造中的運用

4.1 銅電解專用行車簡介

銅陵有色金冠銅業分公司奧爐電解車間廠房東西兩側布置了電解槽，電解廠房中部從西至東依次配置了 1#陰極剝片機組、陽極整形機組、殘極洗滌機組。兩臺陰極剝片機組在電解車間北側出陰極銅，陽極機組和殘極機組在電解車間南面進出陽極板和殘陽極。廠房內配置電解專用行車2臺，用于起吊整槽陽極板、陰極板進行出裝槽作業及配合機組進行操作。

4.2 改造前銅電解專用行車

銅電解專用行車主要由橋架、大車運行機構、小車、專用吊具、3.2T移動葫蘆、司機室、電氣控制系統組成。專用行車定位主要靠行車操作人員駕駛行車至電解槽上的定位錐上方進行人工定位，該定位方式造成定位速度慢、精度差。專用行車的吊具起升、大車、小車運行全部采用在轉子回路串電阻調速，這種調速方式優點是投資少、電網功率因數高、無諧波污染；缺點是有級調速，調速平滑性差,無法得到平滑了速度曲線，會造成專用行車行駛速度慢，裝出槽作業效率低下；機械特性軟，轉速越低，機械特性越軟,能耗越高［3］?，F在專用行車已成為車間提高電解銅產能的瓶頸。2020年，金冠銅業分公司奧爐電解車間同時啟動了擴大電解銅產能和專用吊車改造兩項工程。

4.3 改造后銅電解專用行車系統組成

銅電解專用吊車此次改造主要針對以下幾個方面：吊具、電機驅動、控制系統。吊具采用了與固定框架、活動框架、吊鉤等組成，可以實現單極和雙極兩種作業方式；電機驅動全部采用變頻器驅動，實現無級調速；行車控制系統使用了最新的西門子S7-1500，通過觸摸屏控制，使操作更加便捷。

4.3.1 PLC集中控制系統

圖1 銅電解專用行車PLC集中控制系統

此次電控系統改造另一重點就是PLC控制系統。系統通過PLC和變頻器頻器調節轉速的方法，給定的速度與經由PLC高速計數模塊反饋回來的實際速度相減產生速度誤差，經PLC運算得到控制量，再由PROFINET接口輸出到變頻器以驅動電機，從而達到調節電機轉速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進行轉換，而是采用了PROFINET進行數字通信，有效地提高了系統的抗干擾能力［4］。

此次專用行車PLC控制系統選用西門子S7-1500控制系統。整個專用行車PLC控制系統由觸摸屏、變頻器、PLC、定位系統借助工業以太網將一套健全的控制系統網絡建成。整個控制網絡具有可擴展性，并與剝片機組、陽極機組和殘極機組的控制系統組成電解銅裝出槽作業完整的控制網絡，通過安全聯鎖可以提高三套機組和行車作業的安全可靠性。

4.3.2 定位系統

定位系統是整個行車電控系統中的一個非常重要的部分，其性能直接影響著車間吊運極板的效率。本系統中大車和小車采用激光測距儀進行精確距離冗余測量。高度方向的定位采用設置在卷筒軸上的多圈絕對值脈沖編碼器來實現。PLC系統通過控制網絡從測距定位設備獲取了X、Y、Z三軸方向的絕對值坐標。

4.3.3 變頻調速驅動系統

專用行車的吊具起升、大車、小車運行全部采用變頻調速，本系統中變頻器采用西門子公司的G120系列產品，實現對各機構的精確轉矩和速度控制。G120變頻器通過數字式、智能化設計，能夠方便靈活的設定各種參數，實現穩定的低速運行。具有軟啟動、軟制動特性，減少機械沖擊，延長機構的使用壽命，能夠自動的監測故障，提高了調速系統的可靠性。同時變頻器輸入端設置的電抗器能有效抑制浪涌電壓和浪涌電流，保護變頻器和防止諧波干擾，延長其使用壽命，同時降低變頻器對其他設備干擾，改善電網質量。

4.4 改造后專用吊車運行方式

專用行車有三種操作模式：手動模式、半自動模式和全自動模式，由于生產現場實際經常需要人為干預，現在多采用半自動模式。

通過定位系統可以使專用行車獲得起始位置和目標位置，通過PLC控制系統可以計算行車的行駛路徑，而通過變頻器能獲得行車最佳的加速和減速曲線。三者結合在一起解決了專用行車智能化作業的問題即“我們在哪里，去哪里、干什么和怎么干”。專用行車可以自行分辨出什么負荷，在負荷不同的情況下實現行車的速度的最優化和效率最大化即從啟動位置到達目標位置過程中，大、小車能夠交叉運行，實現吊架到目標位置的直線到達。

4.5 改造效果

改造后銅電解專用行車明顯具有更好定位精度、更完美的運行軌跡和更加卓越的作業效率。表1是專用行車改造前后主要指標對比情況。

表1 改造前后效果對比表

使用變頻調速技術，可以使專用行車實現快速起步、高速行駛、快速減速的全程高速運行。如果說PLC控制系統是銅電解專用行車的大腦，PROFINET以太網絡是神經單元，那么變頻器則在專用行車扮演了具有兼具接受PLC指令和指揮電動機運行的二傳手，在行車運行中起到十分重要的作用。

5 變頻調速技術未來發展趨勢

5.1 開關器件

從目前發展形勢分析，智能化變頻裝置成為了工業發展的必然趨勢，其能夠自動化監測系統中保護、控制及功率等相關變化情況，科學調整與全面監控工業生產的各個環節，以此來提高系統運行的安全性，為工業體系構建打下牢固的基礎?，F代工業中，變頻調速技術必須具有強大的功能，應積極研發出高性能的開關元器件，這是變頻調速技術發展的重點。

5.2 變頻控制電路

當前，我國高壓變頻調速系統自動化、數字化水平較高，能夠對系統進行全方位調控［5］。然而，數字化、自動化等性能還需進一步提高，發展潛力較大。所以，隨著技術的日益革新，我們應積極引入更多的新技術元素，大膽嘗試，將其引入到變頻調速技術中，對整個系統進行高效控制。

5.3 矢量控制

對于高性能電機系統而言，矢量控制是關鍵性技術，其包含了大量重要的科學技術類型，如參數識別技術、磁通觀測技術等，這些技術能夠對開關頻率進行有效調節，進而改變電壓波形［6］。所以，為了緊跟時代發展，應對矢量控制技術進行重點研究，將其引入到變頻調速技術中，確保其在工業生產領域中彰顯更高的價值。

6 結語

憑借特殊的性能，變頻調控技術廣泛運用于工業生產中，有力地保證了生產的穩定性?；诠I自動化需求，憑借變頻調控技術的獨特優勢，廣泛推廣運用這一技術，可整體提高工業生產自動化水平，實現高效生產，獲取更大的經濟效益。